Електронний пристрій оптимізації споживання електричної енергії “епос”

Реферат: UA 79013 U UA 79013 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехніки, а саме до обслуговування вторинних елементів і може застосовуватися для автоматичного регулювання потужності навантаження для заряджання накопичувачів електричної енергії, для мінімізації потужності в режимі енергозбереження, захисту вторинних приладів від перевантажень, для плавного запуску електричних механізмів, а також в режимі генерації енергії при роботі з ємнісним навантаженням. Відомий пристрій для керування фазою вмикання тиристора в регуляторах напруги, який дозволяє регулювати потужність при активному і індуктивному навантаженні в колах змінного струму (див. Кублановский. Я.С. Тиристорные устройства.-2-е изд., перераб. и доп. – Μ.: Радио и связь, 1987. - 112 с: ил. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104, ст. 26). При наявності ємнісного навантаження тиристорні пристрої виходять з ладу в результаті перевантажень за рахунок збільшення струму до величини декількох сотень Ампер в момент перемикання тиристора в стан високої провідності. Для усунення цього недоліку вводять індуктивне навантаження, що ускладнює монтаж, наладку і збільшує габарити схемних рішень. Найбільш близьким за технічною суттю є "Универсальное автоматическое энергосберегающее устройство", патент РФ № 2451974, МКВ G05F1/66, від 27.05.2012, бюл. № 15. Відомий пристрій містить два тиристори, що підключені зустрічно-паралельно один одному, керуючі електроди яких з'єднані між собою через позистор, наприклад, лампу розжарення, а катод кожного тиристора підключений до відповідного керуючого електрода тиристора через терморезистор з від'ємним значенням температурного коефіцієнта опору і параллельно до терморезистора включений електролітичний конденсатор. Недоліком відомого пристрою є відносно низька швидкість перемикання комутаційних елементів - тиристорів - із виключеного стану у стан високої провідності, що не дозволяє використовувати його при частоті перемикання більше 10 кГц. Наступним недоліком пристрою є високе падіння напруги на p-n переходах тиристорів у стані великої провідності, що досягає 2 В. Це призводить до розсіювання теплової енергії на p-n переходах "відкритих" тиристорів, яка досягає 200 Вт при струмі 100 А у стані високої провідності, що потребує застосування вентиляторів для їх охолодження. Крім того, для включення тиристорів необхідно забезпечувати подачу струму через керуючий електрод в межах 15 мА-300 мА, що потребує введення низькоомних елементів (ламп розжарювання і термісторів) в кола керування і зменшує ККД відомого пристрою. В основу пропонованого технічного рішення поставлено задачу підвищення частоти робочої напруги до величини 10 МГц при одночасному збільшенні ККД за рахунок зменшення величини розсіювання теплової енергії. Поставлена задача вирішується за рахунок технічного результату, який полягає в тому, що як комутаційні елементи використані комплементарні МДН транзистори з ізольованим затвором, які утворюють швидкодіючий бістабільний модуль, що дозволяє отримати лавинний (тригерний) ефект його включення і виключення. Для цього в пристрої, що містить позистор, два терморезистори і два конденсатори, які включені паралельно до відповідного терморезистора, поставлена задача вирішується за рахунок того, що згідно з пропозиції додатково введені два бістабільні модулі, вхід першого бістабільного модуля підключений до виходу другого бістабільного модуля, вхід якого підключений до виходу першого бістабільного модуля, керуючий вхід якого підключений до керуючого входу другого бістабільного модуля через послідовно з'єднані позистор і резистор, а вихід кожного бістабільного модуля з'єднаний з його керуючим входом через відповідний терморезистор. Крім того, згідно пропозиції кожен бістабільний модуль містить перший МДН транзистор, комплементарний до нього другий МДН транзистор, діод та два резистори, вхід бістабільного модуля з'єднаний з витоком першого МДН транзистора, стік якого з'єднаний з анодом діода та затвором другого МДН транзистора, витік якого з'єднаний з виходом бістабільного модуля, а стік другого МДН транзистора підключений до катода діода та до затвора першого МДН транзистора. Керуючий вхід бістабільного модуля підключений до затвора другого МДН транзистора і через перший резистор - до виходу бістабільного модуля, вхід якого підключений до затвора першого МДН транзистора через другий резистор. Крім того, згідно з пропозицією, перший МДН транзистор має канал p типу з ізольованим затвором, а другий МДН транзистор має канал n типу з ізольованим затвором. Крім того, згідно з пропозицією, як діод використано діод Шотткі. Крім того, згідно з пропозицією, як діод використано МДН транзистор, затвор якого з'єднаний з його стоком. 1 UA 79013 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Між відмітними ознаками технічного рішення і досягнутим технічним результатом існує безпосередній причинно-наслідковий зв'язок. В пропонованому пристрої як комутуючі елементи швидкодіючого бістабільного модуля застосовані транзистори, що виконані по технології "метал-діелектрик-напівпровідник" (МДН) з ізольованим затвором. Такі транзистори можуть комутувати великі струми - до 150 А і більше при частоті перемикання до 100 Мгц і падінні напруги в відкритому стані не більше 0,3 В. Враховуючи, що падіння напруги на діоді Шотткі в його відкритому стані складає 0,5 В, загальне падіння на запропонованому бістабільному модулі в відкритому його стані становить не більше 1,1 В, що майже в два рази менше, ніж падіння на відкритому тиристорі. Крім того, для керування МДН транзисторами необхідно подавати не більше 100 мкА на його ізольований затвор, що дозволяє зменшити витрати енергії на включення і виключення запропонованого бістабільного модуля в сотні разів в порівнянні з тиристором. Технічне рішення пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображена схема пропонованого пристрою; на фіг. 2 - електрична схема бістабільного модуля, з включеним МДН транзистором як діода. На фіг. 3 зображено вольт-амперну характеристику бістабільного модуля. На фіг. 4 зображено часову діаграму при роботі запропонованого пристрою оптимізації споживання електричної енергії на ємнісне навантаження. Пристрій оптимізації споживання електроенергії на фіг. 1 містить позистор 1, два терморезистори 2, 3 і паралельно підключені до них конденсатори 4 і 5 та два бістабільні модулі 6 та 7, вхід 8 першого бістабільного модуля 6 підключений до виходу 9 другого бістабільного модуля 7, вхід 10 якого підключений до виходу 11 першого бістабільного модуля 6, керуючий вхід 12 якого підключений до керуючого входу 13 другого бістабільного модуля 7 через послідовно з'єднані позистор 1 і резистор 14, а вихід 11 і 9 кожного бістабільного модуля 6, 7 з'єднаний з його керуючим входом 12, 13 через відповідний терморезистор 2 і 3 і конденсатор 3,4. Кожен бістабільний модуль 6 (7) на фіг. 1 містить перший МДН транзистор 15, комплементарний до нього другий МДН транзистор 16, діод 17 та два резистори 18 і 19, вхід 8 (10) бістабільного модуля 6 (7) з'єднаний з витоком 20 першого МДН транзистора 15, стік 21 якого з'єднаний з анодом діода 17 та затвором 22 другого МДН транзистора 16, витік 23 якого з'єднаний з виходом 11 (9) бістабільного модуля 6 (7), а стік 24 другого МДН транзистора 16 підключений до катода діода 17 та до затвора 25 першого МДН транзистора 15. Керуючий вхід 12(13) бістабільного модуля 6 (7) підключений до затвора 22 другого МДН транзистора 16 і через перший резистор 18 - до виходу 11 (9) бістабільного модуля 6 (7), вхід 8 (10) якого підключений до затвора 25 першого МДН транзистора 15 через другий резистор 19. При цьому перший МДН транзистор 15 має канал ρ типу з ізольованим затвором (р-МОН транзистор), а другий МДН 16 транзистор має канал η типу з ізольованим затвором (n-МОН транзистор). Як діод 17 пропонується застосувати діод Шотткі для зменшення падіння напруги на відкритому бістабільному модулі 6 (7). Крім того, для подальшого зменшення падіння напруги у відкритому стані бістабільного модуля 6 як діод Шотткі на фіг. 2 використано МДН транзистор 26, затвор 27 якого з'єднано з його стоком 28. Запропонований електронний пристрій оптимізації споживання електроенергії на фіг. 1 працює в наступний спосіб. При подачі змінної напруги з джерела 29 через пристрій на послідовно з ним включене навантаження 30 нитка розжарювання позистора 1 холодна і має відносно невеликий опір, а обидва бістабільні модулі 6, 7 закриті і не проводять струм. Навантаження 30 може мати ємнісну складову 31. При закритому бістабільному модулі 6, 7 найменший опір у пристрої має ланцюжок, що створений терморезистором 3, резистором 14, позистором 1 та терморезистором 2. При цьому конденсатори 4, 5 заряджаються до відповідної полярності і напруги, яка залежить від полярності і напруги джерела 29 змінного струму. Постійна часу  заряду конденсаторів 4, 5 визначається величиною опору резистора 14, позистора 1 і навантаження 30, тобто  =RC, Де R - сумарний опір резистора 14, позистора 1 і навантаження 30; С - еквівалентна ємність двох послідовно з'єднаних конденсаторів 4 та 5. При умові, якщо конденсатори 4 і 5 мають однаковіномінали, їх еквівалентна ємність складає половину величини ємності конденсатора 4 або 5. Величина струму І заряду через конденсатори 4 і 5 в початковий момент часу визначається як: I=Ua/R, Ua - діюче значення напруги джерела 29; R - сумарний опір резистора 14, позистора 1 і навантаження 30. Таким чином, величина струму заряду конденсаторів 4, 5 і швидкість їх заряду залежить від величини і характеру навантаження 30. При великому навантаженні 30 його опір складає 0,1-10 2 UA 79013 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ом і струм і досягає 0,1 А. При малому навантаженні 30 його опір складає 40-100 Ом і, відповідно, струм І зменшується до величини в декілька мА. Оскільки терморезистори 2 і 3 включені паралельно конденсаторам 4 і 5, то через них також протікає відповідний струм, який зменшує їх опір, в результаті чого заряд конденсаторів 4, 5 залежить від величини навантаження 30. При додатному значенні напруги джерела 29 на вході 8 бістабільного модуля 6, потенціал напруги на його керуючому вході 12 дорівнює потенціалу на відповідній обкладці конденсатора 4 і зростає від нуля до величини Uo (див фіг. 3), достатньої для спрацювання бістабільного модуля 6. При цьому опір бістабільного модуля 6 різко зменшується від величини в десятки мегаОм до величини, що складає соті частки Ома. Цей процес відбувається в момент часу, який прямо пропорційно залежить від величини постійної τ перехідного процесу заряду конденсатора 4. Вся потужність джерела 29 направляється на навантаження 30, а бістабільний модуль 7 залишається в закритому стані. Після спрацювання бістабільного модуля 6 падіння напруги на його вході 8 відносно виходу 11 зменшується до величини 0,9-1,1 В і конденсатори 4 і 5 миттєво розряджаються через позистор 1 і резистор 14. При цьому опір нитки розжарювання позистора 1 (за який може застосовуватися звичайна лампочка розжарювання від батарейного ліхтарика) зростає за рахунок наявності значного струму розрядження конденсаторів 4, 5 і залишається значним за рахунок температурної інерційності позистора 1. Це призводить до того, що струм через терморезистор 2 різко зменшується і бістабільний модуль 6 закривається. При цьому напруга на вході 8 відносно виходу 11 бістабільного модуля 6 знову зростає до величини діючої напруги джерела 29 і процес заряду конденсаторів 4 і 5 повторюється. В результаті - при наявності додатної напруги джерела 29 на вході 8 бістабільного модуля 6 він може багаторазово відкриватися і закриватися, а кількість таких "включень-виключень" модуля 6 залежить від величини навантаження і його ємнісної складової. При зміні напруги джерела 29 на протилежну, бістабільний модуль 6 знаходиться в закритому стані і не проводить струм. При від'ємному значенні напруги джерела 29 на виході 9 бістабільного модуля 7, на його вході 10 діє додатне значення напруги джерела 29, а потенціал напруги на його керуючому вході 13 дорівнює потенціалу на відповідній обкладці конденсатора 5 і зростає від нуля до величини -Uo, достатньої для спрацювання бістабільного модуля 7. При цьому опір бістабільного модуля 7 різко зменшується від величини в десятки МОм до величини, що складає соті частки Ома. Цей процес відбувається в момент часу, який прямо пропорційно залежить від величини постійної  перехідного процесу заряду конденсатора 5. Вся потужність джерела 29 прикладається до навантаження 30, а бістабільний модуль 6 залишається в закритому стані. Після спрацювання бістабільного модуля 7 падіння напруги на його вході 10 відносно виходу 9 зменшується до величини 0,9-1,1 В і конденсатори 4 і 5 миттєво розряджаються через позистор 1 і резистор 14. При цьому опір нитки розжарювання позистора 1 зростає за рахунок наявності значного струму розрядження конденсаторів 4, 5 і залишається значним за рахунок температурної інерційності позистора 1. Це призводить до того, що струм через терморезистор 3 різко зменшується і бістабільний модуль 7 закривається. При цьому напруга на вході 10 і виході 9 бістабільного модуля 7 знову зростає до величини діючої від'ємної напруги джерела 29 і процес заряду конденсаторів 4 і 5 повторюється. В результаті при наявності додатної напруги джерела 29 на вході 10 відносно виходу 9 бістабільного модуля 7 він може багаторазово відкриватися і закриватися, а кількість таких включень-виключень модуля 7 залежить від величини навантаження і його ємнісної або індуктивної складової. Так при наявності великої ємнісної складової 31 навантаження 30 функціонування пристрою відбувається шляхом багаторазового підключення навантаження 30 до джерела 29 за рахунок включення-виключення модулів 6 і7 при перехідному процесі заряду ємкості 31 до граничної величини, яка задається величиною резистора 14. В результаті цього середній струм через навантаження 30 і ємнісну складову 31 обмежується і стабілізується (див. фіг. 4). При наявності індуктивної складової в складі навантаження 30 під час його живлення від джерела 29 індуктивність генерує реактивну енергію, а бістабільний модуль 6, 7 при відповідній полярності діючої напруги джерела 29 виключається з випередженням, зменшуючи тим самим величину реактивної енергії, що підвищує значення так званого "косинуса фі", тобто підвищує баланс активної і реактивної енергії. Бістабільний модуль 6 на фіг. 1 функціонує наступним чином. При нульовому значенні напруги джерела 29 змінного струму і нульовому потенціалі на керуючому вході 12 модуля 6 МДН транзистори 15 і 16 закриваються, а зростання додатної напруги на вході 8 від нуля до максимального значення не може відкрити МДН транзистори 15 і 3 UA 79013 U 5 10 15 20 25 30 35 16, оскільки затвор 25 МДН транзистора 15 підключений через резистор 19 до його витоку 20, а затвор 22 комплементарного МДН транзистора 16 підключений до його витоку 23 через резистор 18. В результаті на катоді діода Шотткі 17 діє додатний потенціал, а на його аноді від'ємний і діод Шотткі не проводить струм. З тієї ж причини на стоці 21 МДН транзистора 15 існує від'ємний потенціал, а на стоці 24 МДН транзистора 16 існує високий додатний потенціал відносно виходу 11. При зростанні напруги на керуючому вході 12 бістабільного модуля 6 до відповідної додатної величини (див Фіг. 3) відносно виходу 11 комплементарний МДН транзистор 16 починає відкриватися, в результаті чого додатний потенціал на його стоці 24 зменшується. Зменшення потенціалу на стоці 24 приводить до відкривання МДН транзистора 15, що приводить до збільшення додатного потенціалу на резисторі 18. Це зростання призводить до ще більшого відкривання комплементарного МДН транзистора 16 і подальшого зменшення додатного потенціалу на його стоці 24. В результаті наявності такого позитивного зворотного зв'язку відбувається лавинний процес відкривання обох МДН транзисторів 15 і 16 протягом часу, що становить десяті і навіть соті долі наносекунди, в результаті чого на аноді діода Шотткі 17 з'являється додатний потенціал, а на його катоді - від'ємний. Діод Шотткі відкривається і дозволяє проходження великого струму (до 150 А) по шляху: "відкритий МДН транзистор 15 - відкритий діод Шотткі 17 - відкритий комплементарний МДН транзистор 16". Падіння напруги на відкритих МДН транзисторах 15 і 16 складає 0,25-0,3 В, а на відкритому діоді Шотткі - 0,5 В. В результаті цього падіння напруги на вході 8 відносно виходу 11 бістабільного модуля 6 визначається сумою падінь напруг на відкритих послідовно включених МДН транзисторах 15, 16 і на діоді Шотткі 17, що складає від 1.0 В до максимум 1,1 В. Ця величина майже не залежить від величини струму (див. фіг. 3) і є набагато меншою, ніж величина падіння напруги на відкритому тиристорі. Для подальшого зменшення падіння напруги на відкритому бістабільному модулі 6 на Фіг. 2 замість діода Шотткі включено додатковий МДН транзистор 26, затвор 27 якого підключений до його стоку 28. В результаті цього при відкриванні МДН транзисторів 15 і 16 МДН транзистор 28 відкривається також і в ньому падає напруга в межах 0,25-03 в. Це дозволяє отримати мінімальне падіння напруги на вході 8 відносно виходу 11 бістабільного модуля 6, що становить не більше 0,75 В. Лавинний процес відкривання МДН транзисторів 15 і 16 дозволяє функціонування модуля 6 при частоті зміни напруги джерела 29, що становить 10 МГц і більше. Бістабільний модуль 7 повністю повторює схемотехніку модуля 6 і функціонує аналогічним чином при від'ємному значенні напруги джерела 29. Таким чином, шляхом застосування МДН транзисторів вирішена задача збільшення швидкодії запропонованого пристрою і зменшення виділення тепла на комутаційних елементах пристрою - МДН транзисторах - в два рази в порівнянні з тиристорною схемою прототипу. Це дозволяє збільшити ККД і відмовитися від використання вентиляторів для охолодження радіаторів, на яких встановлені МДН транзистори. Випробування дослідного зразка електронного пристрою оптимізації споживання електричної енергії (ЕПОС) при потужності навантаження 5 кВт показало ефективність його застосування. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 1. Електронний пристрій оптимізації споживання електричної енергії, що містить позистор (1), два терморезистори (2, 3) і два конденсатори (4, 5), які включені паралельно до відповідного терморезистора (2, 3), який відрізняється тим, що додатково введено два ідентичні бістабільні модулі (6, 7), вхід (8) першого бістабільного модуля (6) підключений до виходу (9) другого бістабільного модуля 7, вхід (10) якого підключений до виходу (11) першого бістабільного модуля (6), керуючий вхід (12) якого підключений до керуючого входу (13) другого бістабільного модуля (7) через послідовно з'єднані позистор (1) і резистор (14), а вихід (11, 9) кожного бістабільного модуля (6, 7) з'єднаний з його керуючим входом (12, 13) через відповідний терморезистор (2, 3) і конденсатор (4, 5). 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що кожен бістабільний модуль (6, 7) містить перший МДН транзистор (15), комплементарний до нього другий МДН транзистор (16), діод (17) та два резистори (18, 19), вхід (8) бістабільного модуля (6) з'єднаний з витоком (20) першого МДН транзистора (15), стік (21) якого з'єднаний з анодом діода (17) та затвором (22) другого МДН транзистора (16), витік (23) якого з'єднаний з виходом (11) бістабільного модуля (6), а стік (24) другого МДН транзистора (16) підключений до катода діода (17) та до затвора (25) першого МДН транзистора (15), керуючий вхід (12) бістабільного модуля (6) підключений до затвора (22) другого МДН транзистора (16) і через перший резистор (18) - до виходу (11) бістабільного 4 UA 79013 U 5 модуля (6), вхід (8) якого підключений до затвора (25) першого МДН транзистора (15) через другий резистор (19). 3. Пристрій за пп. 1 та 2, який відрізняється тим, що перший МДН транзистор (15) має канал ρ типу з ізольованим затвором, а другий МДН транзистор (16) має канал η типу з ізольованим затвором. 4. Пристрій за пп. 1 та 2, який відрізняється тим, що як діод (17) використано діод Шотткі. 5. Пристрій за пп. 1 та 2, який відрізняється тим, що як діод (17) використано МДН транзистор (26), затвор (27) якого з'єднано з його стоком (28). 5 UA 79013 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6